Apakah virus, bakteri, dan benda-benda kecil lainnya akan hancur seperti semut ketika diinjak? - Ryan L., usia 12 tahun, Chapel Hill, North Carolina
Ketika menginjak sesuatu, seperti pisang, benda tersebut akan melunak dan rata dengan tanah. Namun, ketika kita menginjak benda lain, seperti batu, benda-benda tersebut tetap mempertahankan bentuknya dan tidak terpengaruh. Jadi, apa yang terjadi ketika kita menginjak bakteri? Apakah mereka menjadi licin?
Meskipun kami bekerja dengan mikroorganisme dan sel lainnya sebagai insinyur kimia dan biologi, tidak satu pun dari kami yang pernah mencoba meremasnya di laboratorium. Salah satu dari kami memiliki latar belakang di bidang fisika dan mempelajari kekuatan mekanik dalam biologi, sementara salah satu dari kami merekayasa mikroorganisme secara genetis dan membudidayakannya untuk membuat bahan bakar nabati dan bahan kimia lainnya.
Di antara kami berdua, kami pikir kami bisa menemukan jawabannya.
Kekuatan dan tekanan
Mari kita pikirkan apa yang terjadi ketika kamu menginjak sesuatu. Setiap kali kamu mendorong atau menarik sebuah benda, kamu mengerahkan gaya pada benda tersebut. Apa yang terjadi setelah itu tergantung pada seberapa besar gaya yang diberikan dan sifat-sifat benda tersebut.
Gaya yang diberikan oleh langkah kaki berasal terutama dari berat badan. Yang juga penting adalah area tempat gaya tersebut didistribusikan pada kaki kita, yang menciptakan tekanan. Bagian tentang area itu penting - itulah mengapa kamu bisa berjalan di atas salju dengan sepatu salju, tetapi kamu akan tenggelam dengan sepatu biasa.
Kamu dapat menghitung tekanan dengan membagi berat benda dengan luasnya. Jika kaki yang digunakan berbentuk persegi panjang dengan panjang 7 inci (sekitar 18 cm) dan lebar 4 inci (10 cm), maka kaki tersebut memiliki luas permukaan 28 inci persegi (180 cm persegi). Dan jika berat badan kamu 110 pon (50 kilogram), gaya yang dikerahkan per inci persegi kira-kira 3,9 pon per inci persegi.
Sebagai perbandingan, tekanan udara, atau tekanan atmosfer, pada tubuh kita di permukaan laut adalah 14,7 pon per inci persegi atau sekitar 10,3 kilogram per meter persegi. Atmosfer memberikan tekanan yang jauh lebih besar pada tubuh dibandingkan dengan tekanan yang diberikan oleh langkah kaki di atas tanah - hanya saja, kamu tidak merasakannya karena diimbangi oleh tekanan internal udara di dalam tubuhmu.
Menginjak mikroba
Sekarang, apa yang terjadi pada sel bakteri ketika kamu menginjakkan kaki di atasnya?
Bakteri memiliki bentuk yang berbeda, mulai dari bola hingga batang dan spiral. Sel bakteri memiliki dinding yang melindungi bagian dalamnya yang seperti gel dari lingkungan. Seberapa kuatkah dinding sel bakteri, dan dapatkah dinding tersebut menahan kekuatan langkah kaki kita?
Para ilmuwan telah mempelajari kekuatan dinding sel bakteri untuk beberapa alasan, termasuk untuk mengetahui apakah tekanan tinggi dapat membunuh bakteri. Orang-orang di industri makanan menggunakan tekanan tinggi untuk membuat makanan seperti susu aman untuk dikonsumsi.
Untuk menentukan ketangguhan dinding sel bakteri, para peneliti menggunakan berbagai alat untuk mengukur kekuatan tarik utama, yang merupakan tekanan maksimum yang dapat ditahan oleh suatu benda sebelum pecah. Hal ini dapat dilakukan, misalnya, dengan memasukkannya ke dalam wadah tertutup dan dengan cepat menurunkan tekanan hingga meledak.
Sebuah penelitian pada 1985 menemukan bahwa dibutuhkan hampir 1.500 pon per inci persegi untuk membuat bakteri Salmonella meledak. Percobaan selanjutnya menunjukkan bahwa dibutuhkan sekitar 1.900 pon per inci persegi untuk bakteri tanah Bacillus subtilis meledak. Itu adalah 400 hingga 500 kali lebih banyak tekanan daripada yang akan diterima sepatu di trotoar dan mikroba apa pun yang ada di sekitarnya.
Untuk memahami angka-angka ini dengan cara yang berbeda, bayangkan sebuah bakteri yang cukup besar bagi seseorang untuk berdiri di atasnya. Jika memiliki kekuatan dinding sel yang sama dengan Salmonella, bakteri ini dapat menopang lebih dari 350 orang dengan berat masing-masing 110 kilogram yang berdiri di atasnya pada waktu yang sama. Meskipun tekanan tinggi dapat membunuh bakteri dalam beberapa aplikasi seperti pengolahan makanan, satu orang yang berdiri di atasnya tidak akan berhasil.
Menyelinap melalui celah-celah
Sudah jelas bahwa dinding sel bakteri sangat kuat. Namun, ada komplikasi tambahan yang membuatnya semakin sulit untuk memadatkan bakteri: bakteri sangat kecil. Rata-rata bakteri hanya berukuran sekitar 1 hingga 5 mikron atau sepersejuta meter (lebih kecil dari sepersepuluh ribu inci). Sebagai perbandingan, ujung peniti pada umumnya berdiameter sekitar 130 mikron.
Permukaan kulit memiliki lekukan-lekukan halus yang disebut sulci cutis yang rata-rata memiliki kedalaman puluhan mikron. Sol sepatu juga memiliki lekukan yang jauh lebih dalam daripada lekukan pada kulit kita. Akibatnya, baik saat menginjak bakteri dengan kaki telanjang maupun saat mengenakan sepatu, sebagian besar sel akan masuk ke dalam salah satu lekukan tersebut dan lolos dari tekanan penuh yang diberikan ke tanah.
Berdiri di atas peniti
Bagaimana cara meningkatkan tekanan yang diberikan kaki pada sel bakteri untuk melumatkannya?
Salah satu cara secara teoritis adalah dengan mengubah bagian bawah sepatu kita dari yang datar menjadi sangat runcing, dengan bagian bawahnya memiliki diameter selebar ujung peniti. Meskipun berjalan dengan sepatu ini tidak mungkin dilakukan, orang seberat 110 pon akan mengerahkan tekanan sebesar 5,6 juta pon per inci persegi. Itu cukup untuk menghancurkan bakteri apa pun yang diketahui.
Meskipun manusia tidak dapat melakukan hal ini, ternyata beberapa serangga dapat melakukannya. Sayap jangkrik memiliki struktur molekul kecil yang terlihat seperti jarum. Struktur seperti jarum ini hanya berukuran nanometer, seribu kali lebih kecil dari kebanyakan bakteri, dan disebut nanorod.
Ketika bakteri mendarat di permukaan sayap jangkrik, ia membuat bahan kimia khusus yang membantunya menempel di permukaan. Ketika bakteri membelah diri, ia menghasilkan kekuatan kecil yang memungkinkan sel-sel baru untuk terpisah satu sama lain. Kekuatan kecil ini diperbesar menjadi tekanan yang sangat besar ketika mereka mendorong nanorod pada sayap jangkrik, menusuk bakteri dan membunuhnya.
Jangkrik, capung, dan banyak serangga terbang lainnya memiliki permukaan sayap serupa yang secara alami bersifat bakterisida, yang berarti membunuh bakteri. Para ahli bioteknologi mengambil inspirasi dari alam dan mencoba membuat permukaan dengan struktur seperti jarum yang membunuh bakteri dengan cara yang sama.
Rahma Sekar Andini dari Universitas Negeri Malang menerjemahkan artikel ini dari bahasa Inggris.